关于钻芯法评定混凝土实体抗压强度的思考

摘要：本课题组一直持续对混凝土芯样的研究工作，获取了大量的研究数据，通过数据分析总结，得出芯样直径、高径比、取芯方向及端面平整度对抗压强度的影响结论，提出加大微小芯样或者短芯样的研究，更好地为工程质量建设服务。

Abstract： The research group has been continuously working on the concrete core samples， and has obtained a large number of research data. Through data analysis and summary， it has come to the conclusion that the core sample diameter， height diameter ratio， coring direction and end face flatness have an impact on the compressive strength， and it has put forward to increase the research on micro core samples or short core samples， so as to better serve the construction of project quality.

关键词：芯样;强度;高径比;直径;平整度

1  概述

用回弹法、超声回弹综合法、钻芯法检测混凝土结构实体抗压强度，是目前工程技术人员在混凝土结构实体检测中常采用的三种方法，由于采用数字式或指针直读式回弹仪，数字式非金属超声波仪对现场混凝土结构或构件可以进行重复测试，不破坏混凝土结构，便于大范围检测等优点，因而在混凝土结构工程实体检测中得到了技术人员的广泛应用。但是以钻芯法为代表的微破损法更具有直观性，能真实地反映混凝土结构的实际状况，是不可缺少的评定混凝土实体抗压强度的有效方法。钻芯法是利用人造金刚石薄壁钻头直接从混凝土结构或构件实体上钻取若干个（组）芯样，经过双刀切割机加工制作、自然养护或者饱和养护至规定龄期，使用试验机进行抗压强度检测用以推定混凝土实体强度的一种不需要进行强度及相关参数之间换算的检测方法。纵观钻芯法发展的历程，建筑、公路、水工、水利水电等行业根据自己行业特点，制订了具有行业特点的钻芯法标准，主要有以下标准[8]：混凝土结构现场检测技术标准（GB/T 50784-2013）;《混凝土强度检验评定标准》（GB/T50107-2010）;混凝土结构工程施工质量验收规范（GB 50204-2015）;水工混凝土试验规程（DL/T 5150-2017）;公路工程水泥及水泥混凝土试验规程（JTG E30-2005）;水利水电工程施工质量检验与评定规程（SL176-2007）;钻芯法检测混凝土强度技术规程（JGJ/T384-2016）;钻芯法检测混凝土强度技术规程（CECS03：2007）;建筑地基检测技术规范（JGJ 340-2015）;建筑基桩检测技术规范（JGJ106-2014）等。除此之外，还有根据地方原材料的具体情况，制定了具有地方特色的钻芯法标准或规程，所得到的检测结果作为处理工程质量事故的依据。

目前，在上述标准或者规程实施的过程中，主要以直径100mm，高径比为1：1的芯样作为標准芯样进行混凝土实体强度评定的。对于非标准芯样如何进行混凝土实体强度评定，没有统一的标准。在建筑行业《钻芯法检测混凝土强度技术规程》（CECS03：2007）等标准中规定：芯样实际高径比在0.95～1.05倍要求高径比之外，相应的测试数据无效，在国标《混凝土结构工程施工质量验收规范》（GB 50204-2015）附录D中规定：芯样实际高径比在0.98～1.02倍要求高径比之外，相应的测试数据无效。另外还有对芯样试件尺寸偏差及外观质量的要求：如芯样高度方向的任一直径与平均直径相差大于2mm;端面的不平整度在100mm长度内大于0.1mm;端面与轴线的不垂直度大于1°;芯样有裂缝或有其他较大缺陷等[1]。在实际工作中很难达到上述要求的尺寸偏差及外观质量。因此许多检测单位或科研机构对芯样在本地区推广使用及完善和补充现行国家标准开展了研究工作。

直径100mm，高径比为1：1的标准芯样之外的混凝土芯样，统称非标准芯样（以下同）。各单位对非标准芯样研究主要集中在三个方面：首先是对影响芯样抗压强度的因素进行分析研究，主要是分析芯样尺寸效应（包括高径比大小、端面不平整度、垂直度、裂缝、缺陷等）、干湿状态、混凝土强度等级、粗骨料类型和最大粒径、混凝土龄期等对抗压强度的影响;其次，针对不同行业不同标准规程中有关混凝土芯样的规定和相关取值的探讨;三是关于抗压强度推定及抗压强度推定区间判定方法的讨论。本文从芯样尺寸效应是如何影响混凝土强度的问题进行探讨，已达共识，并提出合理化建议。

2  尺寸效应的影响

2.1 不同直径对混凝土芯样强度的影响

自2004年以来，本课题组一直持续对混凝土芯样的研究工作，获取了大量的研究数据。钻取的芯样见图1，试验数据见表1[4][5]。

“钻芯法检测混凝土强度技术规程”协会标准和行业标准等认为修正系数为1.0，通过对100mm、75mm、48mm三种直径的芯样在高径比1：1时芯样抗压强度试验，明显得出混凝土实体抗压强度值fcu，e与预留的混凝土试块在同等条件养护下的抗压强度值fcu存在修正系数，结合《水工混凝土试验规程》（DL/T 5150-2017）中6.4.4第3条规定[3]：高径比为1.0的芯样试件抗压强度，换算成150*150*150立方体的抗压强度，应乘以换算系数（见表2）。将表2和表1按照比例换算得表3，不同直径的芯样换算为边长150mm的立方体试件的抗压强度换算系数K1，变化趋势见图2。建议芯样强度值fcu，e除以换算系数K1后得到的抗压强度值fcu≥fcu，k，判定为合格。这与现行的《国家标准混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）中4.1.3条款规定一致，即结构中混凝土的实体强度与混凝土立方体试件强度之间的差异，结合试验数据分析并参考其他国家的有关规定，对试件混凝土强度的修正系数取为0.88。

2.2 不同高径比对混凝土芯样强度的影响

在《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》（JTG E30-2005）中规定，标准芯样的直径150mm、高径比为2：1;其他标准中规定，标准芯样的直径100mm、高径比为1：1。芯样实际高径比在0.95～1.05倍或者0.98～1.02倍要求高径比之外为无效的检测数据。而在实际现场钻取芯样的过程中，由于各种原因的存在，满足标准或者规程要求的芯样尺寸会给实际检测工作带来一定的困难（补样），根据实际情况，课题组对不同高径比的芯样进行了研究，得到了芯样强度和边长150mm的立方体试件之间的抗压强度换算系数K2（见表4），变化趋势见图3[6]。

2.3 不同取芯方向对混凝土芯样强度的影响

国家标准《普通混凝土力学性能试验方法标准（GB/T50081-2019）》规定[2]，混凝土立方体试块是采用侧面受压（即试件的承压面与浇筑面垂直）计算混凝土的抗压强度代表值。由于实际工作的需要，在混凝土梁、柱及剪力墙上钻取芯样，芯样受力状况满足标准要求。但在地圈梁、条形基础及现浇楼板上取芯时，很难实现取芯方向与混凝土浇筑成型方向垂直，必然抽取与混凝土浇筑成型方向一致的芯样（即试件的承压面与浇筑面平行），这与国家标准要求的侧面受压不一致。本课题组进行了基础性研究工作，钻取了试件的承压面与浇筑面垂直和试件的承压面与浇筑面平行的芯样，用平行于浇筑方向的芯样强度除以垂直于浇筑方向的芯样强度得到换算系数K3（见表5）[7]。

虽然不同直径、不同高径比影响芯样强度，但是在相同直径、相同高径比的情况下，可以认为直径、高径比对不同取芯方向的影响是相同的，从表6可以看出，换算系数K3都大于1，说明平行于浇筑方向的芯样强度高于垂直于浇筑方向的芯样强度。这说明不同取芯方向（即平行于浇筑方向和垂直于浇筑方向）会影响芯样的抗压强度。由于取芯方向对混凝土芯样抗压强度的影响是基础性工作，在知网上查阅的资料较少，建议检测单位在进行取芯工作中积累经验，获取更多的现场数据，将更有说服力。

2.4 端面精度对混凝土芯样强度的影响

目前，对混凝土芯样端面处理的方法，通常采用双刀切割机锯切混凝土芯样后在采用机械磨平、环氧胶泥或聚合物水泥砂浆补平等三种端面处理方式，对于抗压强度小于40MPa的芯样，也可采用水泥净浆、水泥砂浆或硫磺胶泥补平。不同端面处理方式对试验结果有影响，山东省建筑科学研究院研究表明，锯切芯样的抗压强度比端面加工后芯样试件的抗压强度降低10～30%，郑靓[10]在混凝土芯样抗压强度影响因素分析论文中提出：采用硫磺胶泥补平的混凝土芯样抗压强度平均值最高，水泥净浆补平次之，机械磨平最低。对于C25等级芯样，采用硫磺胶泥补平比机械磨平高出6.4%，硫磺胶泥补平比水泥净浆补平高出2.8%。由于端面精度的研究属于基础性研究，国内关于这方面的研究报道甚少。赵恒树[11]在“回弹法和钻芯法检测过程中存在的问题与对策”文章中提出芯样端面平整度超标会严重影响混凝土抗压强度。本课题组对芯样平整度做过对比试验，在锯切后的芯样两端衬垫橡胶再次找平，发现强度明显降低30%左右，也曾采用车床用车刀进行端面加工后，再次磨平，经测量能够保证端面精度。对于直径小的芯样试件而言，芯样端面加工情况对强度影响更为敏感，所以在芯样加工时要特别小心，对于强度低的混凝土芯样，在芯样加工过程中容易产生蹦边现象，得到满足技术要求的混凝土芯样比较困难。平整度超标应是一个必须高度重视的重要问题，特别是第三方检测机构的检测员要加强责任心，否则会影响到检测构件实际强度。

3  结论与建议

①现行建筑、公路、水工、水利水电等行業制订的钻芯法标准或者规程，涉及芯样直径的大小、高径比、取芯方向及端面平整度对抗压强度的影响的内容较少。然在实际现场检测的过程中，必然会涉及到芯样直径、高径比、取芯方向及端面平整度的问题。本课题组通过对芯样直径的大小、高径比、取芯方向的研究，提出可用换算系数进行修正，至于在修正时采用多因素叠加还是采用多因素乘积，还需要达成共识。端面平整度精度不仅仅是简单的修正系数修约，而是对实体抗压强度有较大影响的问题，还需要检测机构或者科研单位加大基础工作的研究，找到切实可行的方法。

②在混凝土结构现场检测技术标准（GB/T 50784-2013）中规定：工程质量检测时，当检验批混凝土抗压强度推定值大于等于设计要求的混凝土抗压强度等级时，可判定检验批混凝土抗压强度符合设计要求。结构性能检测时，可采用检验批混凝土抗压强度推定值作为结构复核工程质量的依据。在不同的标准中，对推定值、代表值、实测值、检测值和换算值表述不一，容易混淆，建议统一。

③取芯检测混凝土实体抗压强度受多因素制约，特别是小芯样的研究，目前集中在直径70～100mm，对于直径小于70mm的微小芯样或者短芯样的研究，在历年发表的文献资料中涉及较少[9]，随着时代的发展，工程结构越来越复杂、增加大批钢筋用量，大直径芯样适用性降低，为了更好的发挥小芯样在工程质量检测中应用，为工程结构的质量安全提供有力保障，需要加大科研力度。

参考文献：

[1]中国建筑科学研究院主编（中国工程建设标准化协会标准）.CECS 03： 2007，钻芯法检测混凝土强度技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2007.

[2]中国建筑科学研究院主编.GB/T50081-2002，普通混凝土力学性能试验方法标准[S].北京：中国建筑工业出版社，2003.

[3]DL/T 5150-2017，南京水利科学研究院主编.水工混凝土试验规程[S].北京：中国电力出版社，2018.

[4]刘梦溪，等.75mm混凝土芯样抗压强度应用性研究[J].混凝土，2009（6）：112-115.

[5]刘梦溪.不同直径的混凝土芯样强度探讨[J].四川建筑科学研究，2010（3）：208-211.

[6]刘梦溪.混凝土芯样高径比与强度换算系数关系研究[J].混凝土，2012（8）：51-54.

[7]刘梦溪，等.混凝土取芯方向与芯样抗压强度关系试验研究[J].混凝土，2012（12）：109-112.

[8]刘梦溪.关于钻芯法评定混凝土抗压强度有关标准的探讨[J].价值工程，2020（4）.

[9]安同富，等.微小芯样法检测混凝土抗压强度技术可行性研究[J].混凝土，2000（9）：24-27.

[10]郑靓.混凝土芯样抗压强度影响因素分析[J].广东土木与建筑，2018（12）：51-53.

[11]赵恒树.回弹法和钻芯法检测过程中存在的问题与对策[J].试验研究，2011（27）：58-60.